燃烧理论5着火的理论基础
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着火过程是一种典型的受化学动力学控制的燃 烧现象。
5.1 着火过程及方式
一、着火的方式与机理
自然界中燃料的着火方式
自燃着火 预混可燃气体由于自身温度的升高而导致化学反应
（自燃） 速率自行加速引起的着火称为自然—— 整体加热。
强迫着火
（点燃或点火）
预混可燃气体由于外界能量的加入，如电火花等点 火源点致使预混可燃气体化学反应速度急剧加快引 起的着火——局部加热。
w
T
C
ti
ti称为着火感应期，着火延迟期或着火诱导期
一般情况下，放热率q1曲线 和散热率q2曲线有两个交点, A点和C点。
A点稳定。当外界有微小扰
动时，如T ↗，则 q2 > q1 ， 散热>放热，T↘，回到A点;
当T↘ ，q2 < q1 , 散热<放热， T ↗ ，回到A点。
C点不稳定。轻微扰动将使B
数学模型
反应放热速率 q1 wQV
（1）
式中：w——混合气的化学反应速率， (mol/m3s)
Q —— 混合气的反应热，即生成每摩尔生成物所 放出的热量，（kJ/mol)
V ——容器的体积，(m3)
据化学动力学知识：
w
kCv
k0C
exp
E RT
（2）
其中，v为可燃混合气总体反应的反应级数。
5 着火的理论基础
主要任务 研究不同着火方式的着火机理。
着火过程及方式
着火方式与机理 着火温度
热自燃过程分析
着火温度求解
着火的热自燃理论 谢苗诺夫公式
热自燃界限
着火理论 基础
热自燃的延迟期
链反应速度 着火的链式反应理论 链反应的发展过程
链反应的延迟期
强迫着火
强迫着火过程 常用点火方法 电火花点火
点火的可燃界限
(2)代入(1)，容器内可燃混合气化学反应的放热速率q1为 ：
q1
wQV
k0C v
exp
Biblioteka Baidu
E RT
VQ
（3）
容器壁的散热速率q2为 ：
q2 S T T0
（4）
式中 ——放热系数；
S ——容器表面积；
T ——可燃混合气温度（是变量）； T0 ——容器壁温，假设=常数。
自燃过程中，反应物浓度、反应温度、反应速度和反应时 间的关系可用下图表示：
目标：求出放热速率q1、散热速率q2的数学表达式， 做出q1 、 q2随温度T的变化曲线，然后分析容器内 的放热和散热与温度T的关系，分析热自燃过程。
假设
容器V内各处的混合物浓度及温度都相同。 在反应过程中，容器V内各处的反应速度都相
同。 容器的壁温T0及外界环境的温度，在反应过程
中保持不变，而决定传热强度的温度差就是壁 温和混合物之间的温压。 在着火温度附近，由于反应所引起的可燃气体 混合物浓度的改变是略而不计的。
环境温度T0
环境温度升高，相当于散热曲线右移，散热率 曲线与放热率曲线的交点 C降低，着火温度降 低，着火提前。
比表面积和散热系数
燃料粒径的大小 燃烧区周围的散热条件
燃料的比表面积越大，相当于散热面积越大，散热率增 加，燃料着火条件变差，着火温度上升，着火推迟；散 热系数越大，散热率越大，燃料着火条件变差，着火温 度上升，着火推迟。
链锁自燃机理——活性中心增值数大于销毁， 反应不断加快，分支链反应和直链反应。
一般来说，在高温下，热自燃是着火的主要原因，而在低 温时则支链反应是着火的主要原因。但实际燃烧过程中， 不可能是纯粹的热自燃或链锁自燃存在，事实上，它们是 同时存在而且是相互促进的。
二．着火的两大特征
着火温度：在该温度下，取决于导热性能 的初始散失热量等于同样时间内因化学反 应转化而形成的热量。热着火理论指出着 火温度不是物质的一个专门性质，事实上 它表示在正常化学过程中(可燃物和氧化剂 之间的反应过程)放热的反作用的结果。
利—恰及利耶(Le—chatelier)明确提出了着火 的临界条件：反应放热曲线与系统向环境散 热的散热曲线相切。
谢苗诺夫（Semonov）完成了数学上的描述。
谢苗诺夫的可燃混合气热自燃理论
有一体积为V(m3)的容器，其中充满有化学均匀 可燃气体混合物，其分反应物浓度为C(mol/m3)，容器 的壁温为T0(K)，容器内的可燃气体混合物正以速度 w(mol/m3s)在进行反应，化学反应后所放出的热量， 一部份加热了气体混合物，使反应系统的温度提高， 另一部份则通过容器壁而传给周围环境。
按照流速划分：
层流火焰，湍流火焰
按照燃料和氧化剂属性
均相与非均相燃烧
Turbulent Nonpremixed Flames
燃烧过程两个阶段：着火阶段、燃烧阶段 着火的定义
着火：燃料与氧化剂分子混合后，从开始发生化学反 应，反应加速，温度升高达到激烈的燃烧反应之前的 一段过程。
点失去平衡。
A点温度低，称为熄灭状态。
图中 B点为着火临界点 Tb为着火温度 T0为自燃温度 T0~Tb之间的时间为着火
感应期
影响着火的因素
增加放热量q1
增加燃料浓度 增加燃料压力 增加燃料发热量 增加燃料活性
放热率曲线左移，在相同 温度下，燃料放热量增加， 着火温度降低，着火温度 降低，着火提前。
知识要点
着火概念、方式和机理，谢苗诺夫热自燃理论， 链式反应理论，烃类—空气混合着火特性，强迫着火 的两种理论，着火界限
知识重点 谢苗诺夫热自燃理论
知识难点 链式反应理论
燃烧与火焰
三个阶段：混合，加热着火，燃 烧反应
燃烧的分类：
按照燃气和空气混合情况
气体燃烧为均相燃烧 预混气体及半预混燃烧 一次空气系数α1 半预混0<α1<1 ，半无焰燃烧 全预混α1≥1，无焰燃烧 扩散燃烧α1=0
着火延迟期 ：着火前的物理准备过程。
5.2 着火的热自燃理论
一.热自燃过程分析
放热和散热过程 着火是反应放热因素和散热因素相互
作用的结果。 放热>散热：着火成功； 放热<散热：着火失败。
着火热理论的发展
范特—荷夫(Vant‘Hoff)提出基本思想，认为， 当反应系统与周围介质间热平衡破坏时就发 生着火。
自燃和点燃过程统称之为着火过程 。
影响着火的因素
燃料性质 燃料与氧化剂的比例 环境压力及温度 气流速度 燃烧室尺寸等等。
化学动力学因素（本章分析的重点） 流体力学因素（燃烧阶段）
自燃着火机理主要包括两种
热自燃机理——反应物温度不断升高，反应加 快，直到着火，可用阿累尼乌斯定律和质量作 用定律解释。
5.1 着火过程及方式
一、着火的方式与机理
自然界中燃料的着火方式
自燃着火 预混可燃气体由于自身温度的升高而导致化学反应
（自燃） 速率自行加速引起的着火称为自然—— 整体加热。
强迫着火
（点燃或点火）
预混可燃气体由于外界能量的加入，如电火花等点 火源点致使预混可燃气体化学反应速度急剧加快引 起的着火——局部加热。
w
T
C
ti
ti称为着火感应期，着火延迟期或着火诱导期
一般情况下，放热率q1曲线 和散热率q2曲线有两个交点, A点和C点。
A点稳定。当外界有微小扰
动时，如T ↗，则 q2 > q1 ， 散热>放热，T↘，回到A点;
当T↘ ，q2 < q1 , 散热<放热， T ↗ ，回到A点。
C点不稳定。轻微扰动将使B
数学模型
反应放热速率 q1 wQV
（1）
式中：w——混合气的化学反应速率， (mol/m3s)
Q —— 混合气的反应热，即生成每摩尔生成物所 放出的热量，（kJ/mol)
V ——容器的体积，(m3)
据化学动力学知识：
w
kCv
k0C
exp
E RT
（2）
其中，v为可燃混合气总体反应的反应级数。
5 着火的理论基础
主要任务 研究不同着火方式的着火机理。
着火过程及方式
着火方式与机理 着火温度
热自燃过程分析
着火温度求解
着火的热自燃理论 谢苗诺夫公式
热自燃界限
着火理论 基础
热自燃的延迟期
链反应速度 着火的链式反应理论 链反应的发展过程
链反应的延迟期
强迫着火
强迫着火过程 常用点火方法 电火花点火
点火的可燃界限
(2)代入(1)，容器内可燃混合气化学反应的放热速率q1为 ：
q1
wQV
k0C v
exp
Biblioteka Baidu
E RT
VQ
（3）
容器壁的散热速率q2为 ：
q2 S T T0
（4）
式中 ——放热系数；
S ——容器表面积；
T ——可燃混合气温度（是变量）； T0 ——容器壁温，假设=常数。
自燃过程中，反应物浓度、反应温度、反应速度和反应时 间的关系可用下图表示：
目标：求出放热速率q1、散热速率q2的数学表达式， 做出q1 、 q2随温度T的变化曲线，然后分析容器内 的放热和散热与温度T的关系，分析热自燃过程。
假设
容器V内各处的混合物浓度及温度都相同。 在反应过程中，容器V内各处的反应速度都相
同。 容器的壁温T0及外界环境的温度，在反应过程
中保持不变，而决定传热强度的温度差就是壁 温和混合物之间的温压。 在着火温度附近，由于反应所引起的可燃气体 混合物浓度的改变是略而不计的。
环境温度T0
环境温度升高，相当于散热曲线右移，散热率 曲线与放热率曲线的交点 C降低，着火温度降 低，着火提前。
比表面积和散热系数
燃料粒径的大小 燃烧区周围的散热条件
燃料的比表面积越大，相当于散热面积越大，散热率增 加，燃料着火条件变差，着火温度上升，着火推迟；散 热系数越大，散热率越大，燃料着火条件变差，着火温 度上升，着火推迟。
链锁自燃机理——活性中心增值数大于销毁， 反应不断加快，分支链反应和直链反应。
一般来说，在高温下，热自燃是着火的主要原因，而在低 温时则支链反应是着火的主要原因。但实际燃烧过程中， 不可能是纯粹的热自燃或链锁自燃存在，事实上，它们是 同时存在而且是相互促进的。
二．着火的两大特征
着火温度：在该温度下，取决于导热性能 的初始散失热量等于同样时间内因化学反 应转化而形成的热量。热着火理论指出着 火温度不是物质的一个专门性质，事实上 它表示在正常化学过程中(可燃物和氧化剂 之间的反应过程)放热的反作用的结果。
利—恰及利耶(Le—chatelier)明确提出了着火 的临界条件：反应放热曲线与系统向环境散 热的散热曲线相切。
谢苗诺夫（Semonov）完成了数学上的描述。
谢苗诺夫的可燃混合气热自燃理论
有一体积为V(m3)的容器，其中充满有化学均匀 可燃气体混合物，其分反应物浓度为C(mol/m3)，容器 的壁温为T0(K)，容器内的可燃气体混合物正以速度 w(mol/m3s)在进行反应，化学反应后所放出的热量， 一部份加热了气体混合物，使反应系统的温度提高， 另一部份则通过容器壁而传给周围环境。
按照流速划分：
层流火焰，湍流火焰
按照燃料和氧化剂属性
均相与非均相燃烧
Turbulent Nonpremixed Flames
燃烧过程两个阶段：着火阶段、燃烧阶段 着火的定义
着火：燃料与氧化剂分子混合后，从开始发生化学反 应，反应加速，温度升高达到激烈的燃烧反应之前的 一段过程。
点失去平衡。
A点温度低，称为熄灭状态。
图中 B点为着火临界点 Tb为着火温度 T0为自燃温度 T0~Tb之间的时间为着火
感应期
影响着火的因素
增加放热量q1
增加燃料浓度 增加燃料压力 增加燃料发热量 增加燃料活性
放热率曲线左移，在相同 温度下，燃料放热量增加， 着火温度降低，着火温度 降低，着火提前。
知识要点
着火概念、方式和机理，谢苗诺夫热自燃理论， 链式反应理论，烃类—空气混合着火特性，强迫着火 的两种理论，着火界限
知识重点 谢苗诺夫热自燃理论
知识难点 链式反应理论
燃烧与火焰
三个阶段：混合，加热着火，燃 烧反应
燃烧的分类：
按照燃气和空气混合情况
气体燃烧为均相燃烧 预混气体及半预混燃烧 一次空气系数α1 半预混0<α1<1 ，半无焰燃烧 全预混α1≥1，无焰燃烧 扩散燃烧α1=0
着火延迟期 ：着火前的物理准备过程。
5.2 着火的热自燃理论
一.热自燃过程分析
放热和散热过程 着火是反应放热因素和散热因素相互
作用的结果。 放热>散热：着火成功； 放热<散热：着火失败。
着火热理论的发展
范特—荷夫(Vant‘Hoff)提出基本思想，认为， 当反应系统与周围介质间热平衡破坏时就发 生着火。
自燃和点燃过程统称之为着火过程 。
影响着火的因素
燃料性质 燃料与氧化剂的比例 环境压力及温度 气流速度 燃烧室尺寸等等。
化学动力学因素（本章分析的重点） 流体力学因素（燃烧阶段）
自燃着火机理主要包括两种
热自燃机理——反应物温度不断升高，反应加 快，直到着火，可用阿累尼乌斯定律和质量作 用定律解释。